能源煤化工基地产业链评价与优化对策

高宝，傅泽强，沈鹏，邬娜，谢园园

中国环境科学研究院清洁生产与循环经济研究中心，北京 100012

能源煤化工基地是指特定区域内以煤炭、火电、煤化工和建材(简称煤电化)等产业为主体所形成的产业集群。具体而言，能源煤化工基地是在煤炭资源相对富集的地区，以煤炭及其共生或伴生资源的综合开发利用为主线，通过与火电、煤化工等下游产业建立共生关系，实现煤炭资源就地转化和价值增值的产业集聚区。煤炭、火电、煤化工、建材等均属于资源高耗型、污染密集型产业，而煤炭资源多分布在水资源短缺、生态环境比较脆弱的地区，因此，不合理的产业链结构和资源利用方式必将对能源煤化工基地工业系统带来严重的负面影响，甚至可能导致灾难性的环境后果。

工业种群之间的关联度高低是工业生态系统产业链结构合理与否的重要影响因素，而且副产品、废弃物的再生循环利用是加强工业生态系统物质流动和能量转换的重要基础，因此，笔者从关联度和废弃物资源化率两方面对能源煤化工基地工业系统的结构和功能进行分析评价，并据此提出产业链优化对策。

1 能源煤化工基地工业系统分析

1.1 能源煤化工基地系统分析

工业生态系统与自然生态系统之间存在着极大的相似性，工业生态系统完全可以像自然生态系统那样循环运行。在生命的开始阶段，有机生物的数量相当少，对可利用资源产生的影响几乎可以忽略不计，资源看起来是无限的，因而废料也可以无限地产生，物质流动相互独立地进行，此即一级生态系统。在随后的进化过程中，资源变得有限了，有生命的有机物随之变得非常地相互依赖并组成了复杂的相互作用的网络系统，也就是说，二级生态系统内部的物质循环变得极为重要，资源和废料的进出量受到资源数量与环境接受废料能力的制约。在三级生态系统中，只有太阳能是来自外部的支援，生态系统进化成以完全循环的方式运行，已不可能区分资源与废料。理想的工业生态系统应尽可能接近三级生态系统［1］。

自然生态系统的生物结构可以分为个体、种群、群落、生态系统四个层次。借鉴生态学概念，将工业生态系统划分为个体-企业、种群-工业种群(即相同类型的企业)、群落-工业群落(即特定区域范围内工业部门的集合)、自然生态系统-工业生态系统(即工业群落及其与外部环境的总和)。

能源煤化工基地是一个融经济、社会、生态与环境为一体的工业生态系统。该工业生态系统模拟自然生态系统食物链网的形式进行横向耦合，形成集生产、流通、消费、回收、环境保护及能力建设为一体的产业链网，建立物质资源的多层分级利用和物质循环网络，从而实现信息交流、能量转换、物质代谢和价值增加。依据系统论，任何一个系统都是由诸多因素在系统环境下，通过一定的方式进行耦合，进而实现系统功能的。系统结构是系统功能的内在基础，系统功能是系统结构的外在表现。针对能源煤化工基地而言，煤基产业链网结构是能源煤化工基地实现物质代谢和能量转换的重要基础;煤炭等资源在能源煤化工基地内的物质流动和能量转换是产业链网结构的外在表现。

1.2 产业链结构分析

在能源煤化工基地内部，以煤炭采掘为源头形成的产业链主要有以下几条:煤炭采掘—火力发电—高载能产业链、煤炭采掘—煤化工—建材产业链、煤炭采掘—火力发电—建材产业链等。

煤炭采掘是能源煤化工基地产业链的起始端。原煤经过采掘、洗选后，运往坑口电站进行火力发电，并结合当地资源情况生产高能耗产品，如电解铝、金属镁、石墨电极等，形成煤炭采掘—火力发电—高载能产业链;也可作为煤化工产业原料，生产甲醇、二甲醚、烯烃等化工产品，而在此过程中产生的气化渣则可作为建材行业原料，从而形成煤炭采掘—煤化工—建材产业链。同时，煤炭采掘、火力发电厂的煤矸石等废弃物资源也可作为建材行业原料，进而形成煤炭采掘—火力发电—建材产业链。

1.3 物质代谢分析

物质代谢作为生命的基本特征，最初来自于生命科学。随着物质代谢研究的发展，Newman等［2-3］相继提出“城市代谢”和“工业代谢”的概念，并且研究重心已经转向工业代谢。物质代谢的概念可归纳为人类改造自然过程中，社会经济系统内部物质消耗及其与外界自然环境之间的物质交换过程的集合。

能源煤化工基地物质代谢过程如图1所示。原煤经过洗选产生附加值更高的煤产品，可以直接外销，也可以提供给基地内火力发电厂作为燃料进行发电，此外，还可以作为煤化工行业原料生产煤化工产品。因此，从物质代谢角度分析［4-5］，原煤开采为热电厂以及煤化工行业提供原料，是能源煤化工基地的生产者。电力和煤化工行业接受煤炭行业的产品或废弃物，是初级消费者;新材料等高载能行业则是次级消费者;建材行业回收再利用粉煤灰、脱硫石膏、气化细渣或粗渣等副产品，因而是分解者。

2 评价指标与方法

图1 能源煤化工基地物质代谢过程Fig.1 Metabolism diagram of energy and coal chemical industry base

企业间关联度是衡量工业生态系统内工业种群间物质和能量链接关系的指标，是以对自然生态系统中各物种之间关联性大小的研究为基础的［6-8］。关联度越大，表明工业种群间物质和能量的联系越紧密。废弃物资源化率是指工业生态系统内废弃物(包括固体废物、废水等)作为原料供给下游企业使用的比例，是衡量工业生态系统副产品、废弃物资源化程度的重要指标。废弃物资源化率越高，副产品、废弃物的资源化再利用程度越高［9］。

2.1 关联度

在工业生态系统中，上下游企业的链接主要有两种方式:1)下游企业利用或者消解上游企业的副产品、废弃物以及余能，形成再生链;2)上游企业的主产品作为下游企业的主要原料，形成产品链。

在进行企业间关联度计算时，将分成两种情况:1)单独分析系统内的再生链;2)同时考虑系统内的再生链和产品链，即总食物链=再生链+产品链。

设工业生态系统内的再生链数为Le，产品链数为Lp，总食物链数为Lt，工业种群数为S，则企业间生态关联度(Ce)和总关联度(Ct)的计算公式如下［10-11］:

当Ct＜0.3时，表示工业生态系统内工业种群间联系不够紧密，产业链结构不够合理;当0.3≤Ct≤0.5时，表示工业生态系统内各工业种群间联系相对紧密，产业链结构基本合理;当Ct＞0.5时，表示工业生态系统内各工业种群间联系比较紧密，产业链结构比较合理。

2.2 废弃物资源化率

设工业生态系统内各工业种群的废弃物资源化率为 ui(0 ＜ ui≤100%，i=1，2，...，Le)，则工业生态系统的废弃物资源化率(CR)按下式计算［9，12］:

对式(3)进行数学变换，可得:

式中，rL为工业生态系统内各工业种群废弃物资源化率的平均值。

CR＜20%，表示工业生态系统内废弃物尚未得到充分利用，物质代谢效率较低;20%≤CR≤50%，表示工业生态系统内废弃物基本得到合理利用，物质代谢效率尚可;CR＞50%，表示工业生态系统内废弃物得到充分利用，物质代谢效率较高。

3 产业链优化原则和技术途径

3.1 优化原则

3.1.1 技术可行原则

高新技术是提高资源利用效率、优化产业结构、改变传统经济增长方式的重要推动力，也是企业赢得竞争优势、提升竞争力的重要源泉。因此，应结合工业生态系统的自然资源条件、社会经济发展水平和生态环境现状等因素进行技术经济论证，选取实用可行的减量化技术、再循环技术、替代技术等绿色技术进行产业链优化。

3.1.2 经济合理原则

根据工业生态系统的自然环境和资源条件，科学合理地调整产业结构和产业布局，确保工业生态系统产业链各节点的价值得以实现，确保整个产业链网的价值得到最大限度增值，同时还要有助于带动区域经济的快速增长，实现地尽其利、物尽其用。

3.1.3 经济效益与环境效益并重原则

遵循循环经济理念，加强工业生态系统内物质和能量的循环利用，尽量减少资源消耗量和污染物产生量。在将工业生态系统区资源优势转变为经济优势的同时，降低对生态环境的负面影响，以最小的资源环境代价取得工业生态系统最大限度的发展，实现“高效开发、清洁生产、综合利用、持续发展”。

3.2 技术途径

3.2.1 优化关键节点，延伸产业链

因地制宜，确定能够发挥区域资源优势的主导产业链，并根据关键种理论，优选出关键种工业种群。关键种工业种群是指位于产业链关键节点，能够对其他工业种群及整个产业链产生不可替代的重要影响的工业种群。它们是工业生态系统产业链的“链核”，使用和传输的物质较多，能量流动的规模较大，废弃物和副产品的排放量较大，对自然环境影响较大且能够带动和牵制其他工业种群的发展［13］。

通过全面分析工业生态系统优势资源的利用途径，考察资源开发的经济效益及环境友好性，并在关键种工业种群引进高新技术、先进工艺，拓展产品链，增加产业链上游和下游产品生产，向前或向后延伸拓展产业链，提升关键环节技术水平及资源利用效率，从而增加产品附加值，提高产业链所创造的价值。

3.2.2 引入补链企业，拓宽生态位

生态位理论是生态学的重要理论之一。生态位是指群落中某种生物所占的物理空间，发挥的功能作用及其在各种环境梯度上的出现范围［14］。生态位的大小常用其宽度来衡量。生态位宽度越大，表明该物种在自然生态系统中发挥的生态作用越大。反之，生态位宽度越小，其在自然生态系统中发挥的生态作用越小。大多数自然生态系统具有不同生态位的物种，这些生态位不同的物种，避免了相互之间的竞争，同时由于提供了多条物质循环和能量流动途径，从而有助于自然生态系统的稳定。

工业生态系统的生态位是指工业种群可利用的自然因素(包括气候、资源、能源、地形等)和社会因素(包括劳动条件、生活条件、技术条件、社会关系等)的总和。工业生态系统的生态位宽度越大，表明其对社会、经济、自然资源的利用越广泛，利用率越高，竞争力越强。反之，宽度越小，利用率越低，竞争力越弱。因此，应以工业代谢分析为基础，以生态位理论为指导，确定现有产业链上未被充分利用的资源，并以关键种工业种群副产品和废弃物为突破点，有针对性地引入补链型工业种群，促进工业种群间副产品、废弃物的资源化利用，挖掘潜在生态位，拓宽工业生态系统生态位，增加园区产业链的稳定性。

3.2.3 加强产业链耦合，完善产业链(网)

自然生态系统中，植物所固定的太阳能通过一系列取食和被取食的关系在生态系统中传递，生物之间的这种传递关系被称为食物链。多条食物链彼此交织，相互联系，进而形成食物网。自然生态系统依靠食物链、食物网，实现物质循环和能量流动，维持着自然生态系统的稳定，此即食物链(网)理论［15］。

在工业生态系统中，应以食物链(网)理论为指导，对工业种群的物质流、能量流进行系统集成，依据物质流、能量流传递规律，并以资源利用最大化和保证产业链稳定性为原则，通过不同产业链间物质、能量的多级共享，加强不同产业链之间的共生耦合，丰富工业种群链接关系，完善产业链(网)。同时，注重工业生态系统产业链上各节点企业间的协调发展及联合协作，充分利用主产品、副产品、废弃物等各类资源。

4 典型案例分析

由于宁东能源煤化工基地已被列入国家第二批循环经济试点园区［16］，同时国务院、环境保护部等部门对宁东能源煤化工基地的开发建设做出明确指示，要求高起点、高水平地建设宁东基地，发展循环经济［17-18］，故选取宁东能源煤化工基地进行典型案例分析。

4.1 概况

宁东能源煤化工基地位于黄河中下游地区，隶属于宁夏回族自治区，规划区总面积约为3484 km2，东西宽16～41 km，南北长127 km。宁东能源煤化工基地是国家规划建设的大型煤炭基地、煤化工产业基地和西电东送火电基地之一，是全国能源基地的重要组成部分［19］。目前，宁东能源煤化工基地依托丰富的煤炭资源，已形成煤炭、电力和煤化工三大主导产业，同时包括原油开采、石油加工、建材业、建筑业等有机组成部分，已形成10个相对独立、相互共生的工业种群，其食物链(网)如图2所示。

图2 宁东能源煤化工基地食物链(网)Fig.2 Food chain(web)diagram of Ningdong energy and coal chemical industry base

4.2 关联度分析

由图2可见，宁东能源煤化工基地食物链(网)的工业种群数(S)为10，总食物链数(Lt)为17，由式(2)可知，企业间总关联度(Ct)为0.378，表明宁东能源煤化工基地工业种群间联系相对紧密，产业链结构基本合理。

丹麦卡伦堡生态工业园是世界上最典型的生态工业园之一，1995年该工业园的企业间总关联度(Ct)为0.309;我国生态工业园区企业间总关联度(Ct)的平均值为0.303［12］。而典型自然生态系统的关联度为0.5～0.6［20］。可以看出，宁东能源煤化工基地企业间总关联度高于1995年卡伦堡生态工业园的企业间总关联度及我国生态工业园区企业间总关联度的平均值，表明宁东能源煤化工基地已达到相对较高的发展水平。但是，宁东能源煤化工基地企业间总关联度低于典型自然生态系统的关联度，表明其尚不具备与自然生态系统相似的结构。

4.3 废弃物资源化率分析

由图2可得，宁东能源煤化工基地食物链(网)的再生链数(Le)为6，则由式(1)可知，宁东能源煤化工基地企业间生态关联度(Ce)为0.133。

根据2007年宁东能源煤化工基地的统计资料［21］，宁东能源煤化工基地内各工业种群的废弃物资源化率见表1。由表1可知，宁东能源煤化工基地内各工业种群固体废物资源化率的平均值(rL1)为80.37%。通过式(4)可得，宁东能源煤化工基地的固体废物资源化率(CR1)为10.69%。同理可得，宁东能源煤化工基地的废水资源化率(CR2)为9.91%。

表1 宁东能源煤化工基地内各工业种群的废弃物资源化率［21］Table 1 The waste recycling rate in Ningdong energy and coal chemical industry base %

可以看出，宁东能源煤化工基地内各工业种群自身的废弃物资源化率相对较高，平均值较大，但是废弃物在各工业种群之间尚未得到充分利用，致使宁东能源煤化工基地整体的废弃物资源化率相对较低，因此，应采取有力措施，促使形成更多再生链，提高废弃物资源化率。

4.4 产业链优化对策

4.4.1 开展重点技术研发

煤炭采掘、火力发电、煤化工是宁东能源煤化工基地的关键种工业种群，因此，应积极开展重点技术研发，并适时推广先进资源开采技术。在煤炭开采行业推广厚煤层综采放顶煤技术，矸石充填开采、保水开采、煤与瓦斯共采等绿色开采技术，以及洁净煤技术、水煤浆技术、型煤技术等煤炭清洁高效利用技术。积极研发从煤矿中引取煤层气，或者制备煤气进行发电的整体煤气化联合循环发电技术等，推动煤电联产。重点支持煤制甲醇、二甲醚、烯烃合成、煤制油等技术和催化剂的技术研究，以及煤炭气化、煤炭液化技术及装备的引进消化和再创新。通过高新技术的研发转化，提升关键环节技术水平，拓展产品链，促进资源利用效率及经济效益的不断提高。

4.4.2 发展补链型产业

宁东能源煤化工基地存在着煤矸石、粉煤灰、气化渣等多种可再生利用资源，因此，在发展主导产业的同时，应积极发展补链型产业，对煤炭、火电、煤化工等工业种群的副产品及废弃物进行再加工、精加工，促进副产品及废弃物资源的再生循环利用。重点开展煤矸石、粉煤灰等在土壤改良、化肥生产以及塑料添加剂等方面的可行性研究，拓宽其应用范围，充实资源回收利用系统，扶持废弃物综合利用产业，追求长期综合效益。

4.4.3 建立企业联盟

在政府相关政策的引导下，行业主管部门的业务指导和监督管理下，建立以推动基地资源高效利用为原则、跨行业产学研相结合的企业联盟，整合基地内主产品、副产品、废弃物等资源，统一规划各行业的技术研发，组织瓶颈技术的创新攻关，避免重复劳动，加快研究成果的共享与转化，提高基地资源的循环利用率，促进宁东能源煤化工基地经济效益的快速增长。

5 结论

(1)能源煤化工基地内各产业通过横向耦合、纵向联合形成了与自然生态系统相类似的工业食物链(网)结构和物质代谢功能。关联度是衡量工业生态系统产业链结构的重要指标之一，随着关联度增大，工业生态系统内各工业种群间联系越加紧密，产业链结构趋于合理;废弃物资源化率是表征工业生态系统物质代谢功能的指标，其值越大，表明工业生态系统的物质代谢效率越高。

(2)以宁东能源煤化工基地进行的典型案例分析结果显示，该基地企业间总关联度为0.378，固体废物资源化率为10.69%，废水资源化率为9.91%，表明宁东能源煤化工基地各工业种群间联系相对紧密，产业链结构基本合理，但固体废物及废水资源利用水平相对较低。

(3)选取的企业间关联度和废弃物资源化率两项指标基本上能够反映工业生态系统的发展水平，而从多个角度、采用多个指标对其进行系统评价，并对结构和功能之间的关系进行深入剖析，是该领域的重要研究方向和趋势。

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